Cr元素对6061合金挤压型材组织和性能的影响_吕庆玉.pdf

0前言6061合金属Al-Mg-Si系合金，中等强度，具有良好的塑性和优良的耐蚀性。特别是无应力腐蚀开裂倾向，其焊接性能优良，耐蚀性及冷加工性能好，应用范围广是一种很有前途的合金。可阳极氧化着色，也可喷漆处理，适用作建筑装饰材料。其含有少量Cu，因而强度高于6063合金，但淬火敏感性也比6063高，挤压之后需要经过高强度的固溶淬火，才能获得较高的强度1。王峰2等研究了Cu对热挤压Al-Mg-Si合金拉伸性能及导电率的影响，向 Al-0.35Si-0.45Mg-0.13Fe合金中添入微量Cu元素后，Mg2Si析出相得到细化且时效强度提高，随着 Cu 元素含量的增加，峰值时效时间缩短，合金抗拉强度不断提高，但伸长率逐渐降低。当Cu含量为0.06%时，合金抗拉强度达到最大值145.7 MPa。合金导电率随着Cu元素含量的增加先升后降，当Cu含量为0.03%时达到最大值60.18%IACS。潘青林3等研究了微量Mn对Al-Mg-Si合金的微观组织与拉伸性能的影响，结果表明，微量Mn在Al-Mg-Si合金中主要以粒状-Al15（FeMn）3Si2弥散相的形式存在，尺寸为12 m210 m，均匀、弥散分布在基体中，有效地钉扎位错和亚晶界，抑制合金热挤压变形过程中的再结晶；均匀化处理过程中微量Mn可促进长针状-Al9FeSi相向粒状-Al15（FeMn）3Si2相转变，这种含Mn的相弥散颗粒可作为合金时效强化相（Mg2Si）的非均匀成核位置，促进相的析出，从而强化合金，使合金获得较好的强塑性配合。目前国内铝合金研究机构、铝挤压行业对Cr元素含量对6061合金的性能组织影响研究较少，基于此现状，结合我司承接的出口国外挤压型材，客户要求6061合金型材抗拉强度320 MPa，强度指标要求较普通工业材高很多，为了满足客户特殊要求，在GB/T 3190成分范围内，设计成分配比方案，开展试验研究，以期满足客户要求，并为铝挤压行业同行提供参考。1试验方案1.1 试验材料试验材料为120 mm 规格圆铝棒，长度为3 000 mm。在GB/T 3190的基础上，分别设计两种合金成分，见表1。在1 000 t机台生产线进行挤压，生产的棒材直径为20 mm，米重为0.847 kgm-1。Cr元素对6061合金挤压型材组织和性能的影响吕庆玉（龙口市丛林铝材有限公司，龙口市 265700）摘要：结合客户技术要求及生产实际，针对6061合金中Cr元素含量对产品的综合性能影响进行试验，解决产品强度指标问题。研究结果表明：6061合金随着Cr含量的增加，经过后续的人工时效可以获得优良的产品，挤压产品的拉伸性能和硬度明显的提升，抗拉强度提高约40 MPa，屈服强度提高约50 MPa，硬度提高约15 HBW；并且Cr对6061合金挤压型材的显微组织有明显的改善作用，Cr能形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，阻碍晶粒长大，能对基体晶粒起到很好的细化作用，改善产品的综合性能。关键词：成分；Cr元素；淬火；人工时效；力学；显微组织中图分类号：TG146.21，TP379文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）03-0015-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.03.03作者简介：吕庆玉（1981-），男，山东人，工程师，主要从事金属材料与热处理研究。收稿日期：2022-09-202023年第3期总第272期铝加工组织性能 15吕庆玉：Cr元素对6061合金挤压型材组织和性能的影响组织性能表16061合金化学成分（质量分数/%）合金标准1#2#Si0.400.80.650.66Fe0.70.20.22Cu0.150.400.220.24Mn0.150.050.04Mg0.81.21.041.05Cr0.040.350.060.22Zn0.250.0010.01Ti0.150.10.1圆铝棒铸造工艺流程如下：配料锯切熔化均匀化精炼铸造静置过滤细化在线除气试验用两种合金 1#、2#经过均匀化退火处理，退火工艺采用单级均匀化制度。首先设定（5605），升温150 min，温度达到设定温度范围后保温48 min转入冷却炉冷却，强风急冷30 min后，调水压为0.15 MPa冷却80 min，出炉后自然冷却至室温4。均匀化退火后的圆铝棒，切除头部 100 mm、尾部切除120 mm，两端取样进行检测分析。低倍组织无裂纹、气孔、羽毛晶、非金属夹杂等缺陷，晶粒度、疏松一级，氢气含量0.14 g/100gAl。1.2 实施方案在1 000 t机台上进行挤压试验生产，试验方案见表2。采用一套模具，控制模具温度在450 480，挤压筒温度控制在430 450，第一根引棒缓慢挤压，不锯切成品。成分1#、成分2#各挤压5根，定尺铝棒长度是500mm，具体挤压数据见表3。表2试验方案方案AB成分1#2#挤压吨位/t1 0001 000模具温度/450480450480铝棒温度/500510500510产品速度/(mmin-1)910910出口温度/520535520535淬火后温度/22252225表3挤压数据成分1#2#序号1234512345铝棒温度/508507508505507505506507505508产品速度/(mmin-1)9.59.59.59.59.59.59.59.59.59.5出口温度/533530532530528527530531527531淬火后温度/23232323232323232323挤压在线淬火后的产品，在铝棒与铝棒挤压型材交接位置中断锯切，然后进行拉伸矫直，拉伸率约1.2%。经过定尺锯切装筐，为了便于时效时通风顺畅，产品用3 mm厚度横梁隔开。为了消除停放自然时效对产品拉伸性能的影响，最终获得高强度产品，进行如下操作：挤压停放20 h内装炉进行人工时效，采用燃气纵向大循环时效炉进行时效，温度设定（1703），升温时间不超1.5h，保温7h，出炉后进行空冷，冷却至室温后取样检测。2试验结果及分析2.1 拉伸性能、硬度拉伸试样参照GB/T 2282010标准加工制作，加工成圆形比例试样。采用日本岛津UH-F300KNX液压万能试验机、美国英斯特朗AG0278-107布氏硬度计进行试验检测，具体数据见表4。表4不同成分方案时效后的拉伸性能、硬度对比方案AB成分1#2#挤压吨位/t1 0001 000抗拉强度/Mpa290350340380屈服强度/Mpa260330320370断后伸长率/%10141517硬度8410095120成分1#、成分2#挤压型材，在同等条件下挤压、固溶淬火和人工时效，根据检测结果来看两者有明显差异，添加0.22%Cr元素的成分2#产品抗拉强度平均高约 40 MPa，屈服强度平均高约50 MPa，断后伸长率平均高约4%，硬度平均高约15.5 HBW。分析两种成分产生的差异原因，在Si和Mg及Cu含量固定不变的情况下，起主要强化作用的Mg2Si总含量是1.59%，含有0.06%过剩Si，并含有一定量的Al2Cu，这些析出相对时效后产品强度起主要强化作用5。6061 合金中添加的 0.22%Cr，Cr在铝基体中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，能有效阻碍晶粒长大，提高再结晶温度和范围，并对产品强度有一定的贡献6。2.2 显微组织试样经过加工、研磨、电解抛光，腐蚀剂采用法国NF A04-503标准，氢氟酸盐酸水=12 22，腐蚀时间约2 min。清洗后采用德国卡尔蔡司AXIO金相显微镜对两种成分的挤压产品进行检测 162023年第3期总第272期铝加工组织性能分析，具体见图1和图2。（a）边部（b）基体图1成分1#显微组织（a）边部（b）基体图2成分2#显微组织成分 1#挤压产品的组织，晶粒均匀性较差，且边部存在大尺寸再结晶晶粒，厚度约3 mm。成分2#挤压产品的组织，边部存在粗晶层，厚度约800 m；基体晶粒细小均匀，晶粒度级别67级。从显微组织来看，成分2#挤压的制品组织优异，基体晶粒因为添加0.22%Cr的原因有明显改善，这也是产品拉伸性能和硬度有很大提升的根本原因。3 分析讨论在6系Al-Mg-Si铝合金中，6061是一种较老的合金，属于中等强度可热处理强化铝合金，其淬火敏感性比6063合金高，需采用较高的淬火强度，后续才能经过人工时效实现强化。其强化相主要是Mg2Si，Mg2Si的Mg与Si之比为1.73，为了获得更高的强度，提高成形性能及焊接性能，大部分合金设计时含有一定量的过剩 Si。合金中添加Cu，能明显提高时效强度，随着Cu元素含量的增加，峰值时效时间缩短，合金抗拉强度不断提高，但伸长率逐渐降低。GB/T 3190中6061合金Mn元素最大允许含量0.15%，所以在生产实践中很少单独作为合金化元素添加。本文研究的方向和内容，基于Cr元素含量对6061合金的组织和性能的影响，因为合金中添加Cr 元素，可以作为 Fe 的中和剂，消除 Fe 的坏作用，铸态组织(基体和晶界上)出现中尺寸小于5 m的含Cr相，在铝中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金属间化合物，能有效阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。为了满足高强度材料性能和细晶组织，本文试验采用在线水冷淬火，形成过饱和固溶体，然后进行人工时效。最后经过检测分析，试验结果达到了预期效果。4结论（1）6061合金随着Cr含量的增加，经过后续的人工时效可以获得优良的产品，抗拉强度高约40 MPa，屈服强度提高约 50 MPa，硬度提高约15 HBW。（2）含有0.22%Cr元素的6061合金，对挤压型材的显微组织有明显的改善作用，Cr 能形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金属间化合物，阻碍晶粒长大，对基体晶粒起到能很好的细化作用，改善产品的综合性能。参考文献1肖亚庆，谢水生，刘静安，等.铝加工技术实用手册M.北京：冶金工业出版社，2005：165-175.2王峰，王松伟，王帆，等.Cu对热挤压Al-Mg-Si合金力学性能及导电率的影响J.沈阳工业大学学报，2015，37（5）：515-519.3潘青林，李绍禄，邹景霞，等.微量Mn对Al-Mg-Si合金微观组织与拉伸性能的影响J.中国有色金属学报，2002，12（5）：972-976.4陈小玲，彭自业，曹盛强，等.均热冷却工艺对6061合金铸锭及其挤压型材组织和力学性能的影响J.热处理技术与装备，2016，37（6）：10-13.5王祝堂.变形铝合金热处理工艺M.长沙：中南大学出版社，2011：249-253.6寇琳媛，王冠，马超，等.停放时间对6061铝合金性能及微观组织的影响J.中国有色金属学报，2020，30（4）：750-762.100m100m100m100m 17Effect of Cr element on microstructure and properties ofextruded 6061 alloy profilesLv Qingyu(Longkou Conglin Aluminum Material Co.,Ltd.,Longkou 265700,China)Abstract:Combined with customer technical requirements and production practice,the effect of Cr content in 6061 alloy on thecomprehensive performance of the product was tested to solve the problem of product strength index.The results show that with theincrease of Cr content,excellent products can be obtained after subsequent artificial ag